劉小軍

(山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

我國是一個強震多發(fā)國家，地震發(fā)生頻率高、強度大、分布范圍廣、傷亡多、災害嚴重，這些地震災害，特別是近年發(fā)生的汶川大地震、青海玉樹大地震等，給我們帶來了慘痛的教訓。與此同時，橋梁作為生命線系統(tǒng)工程中的重要組成部分，一旦損毀、中斷便等于切斷了地震區(qū)的生命線，次生災害將十分嚴重，經(jīng)濟損失無疑將大大加劇。受到這些地震災害的教訓以后，基于橋梁抗震設計的結(jié)構(gòu)控制技術開始在我國橋梁工程界得到日益重視，逐步開展了橋梁減隔震設計及研究工作。對于地震作用，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計采用的對策是結(jié)構(gòu)抗震，即主要考慮為結(jié)構(gòu)提供抵抗地震作用的能力。但是在某些情況下，依靠結(jié)構(gòu)自身來抵抗地震作用顯的非常困難，需要付出很大的經(jīng)濟代價，因此就需要尋求更為有效的抗震手段。摩擦擺支座就是基于抗震要求而研究出的一種新型抗震支座，摩擦擺支座隔震消能原理是利用滑動面的設計延長結(jié)構(gòu)的振動周期，以大幅度減少結(jié)構(gòu)因地震作用而引起的放大效應，通過支座的滑動面與滑塊之間的摩擦來達到消耗地震能量［1］。隔震系統(tǒng)的周期和剛度通過選取合適的滑動表面曲率半徑來控制，阻尼由動摩擦系數(shù)來控制。此外，其特有的圓弧滑動面具有自動復位功能，可以有效地限制隔震支座的位移，使其震后恢復原位［2］。目前，國內(nèi)有關摩擦擺支座的研究和應用還很少，本文以一座四跨連續(xù)梁橋為研究對象，結(jié)合土木工程通用有限元分析軟件Midas通過非線性時程方法分析地震力作用下橋梁使用普通盆式橡膠支座和摩擦擺支座(FPB)對橋梁下部結(jié)構(gòu)受力性能的影響，探討其減隔震特性和隔震效果。

1 工程概況

本項目橋跨布置共有三聯(lián)，本文以第二聯(lián)為模型進行計算分析，跨徑布置形式為(20+2×25+20)m，上部結(jié)構(gòu)采用現(xiàn)澆連續(xù)梁，下部采用矩形墩、柱式墩、樁基礎。場地的抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度為0．20g，設計地震分組為第一組。該匝道橋場地的20 m之內(nèi)的場地土類型按中軟土考慮，20 m以下的按中硬土考慮，場地類別為Ⅲ類，抗震設防類別為B類。

2 基本模型

本橋依據(jù)《公路橋梁抗震設計細則》6．3條建立全橋空間桿系模型，計算軟件為Midas Civil2010。第二聯(lián)的有限元計算模型示意圖見圖1，其自振周期及相應振型列于表1。

圖1 有限元計算模型

表1 自振特性一覽表

3 輸入地震波

采用三角級數(shù)法合成地震波，時程反應分析時輸入的3條地震波，其中兩條為規(guī)范反應譜人工合成的Ⅲ類場地地震波，一條為調(diào)整后的天津強震記錄(見圖2～圖4)。

圖2 第1條人工地震波（W ave-1）

圖3 第2條人工地震波（Wave-2）

4 普通盆式支座彈性時程反應分析

4．1 普通盆式支座布置方案

6號與10號墩為聯(lián)間過渡墩，8號墩為制動墩。支座的平面布置示意圖見圖5。

4．2 時程分析結(jié)果

在縱向橫向地震作用下，其他橋墩受力規(guī)律基本一致，本文僅對8號橋墩進行分析反應，結(jié)果列于表2，表3。

由表2，表3可以看出，三條地震波作用下，當設置普通盆式橡膠支座無論是順橋向還是橫橋向墩底都會產(chǎn)生較大的彎矩和位移，如果采用該彎矩進行配筋計算，擬定的直徑1．6 m墩身根本無法配筋，必須加大墩身截面尺寸。而如果加大截面尺寸無論從美觀還是空間要求上都不是合理選擇。

圖4 天津強震記錄（Wave-3）

圖5 普通盆式支座平面布置

表2 順橋向時程反應(一)

表3 橫橋向時程反應(一)

5 摩擦擺支座隔震的非線性時程分析

5．1 摩擦擺支座的布置方案

為準確反映橋梁的上下部結(jié)構(gòu)、支座、質(zhì)量分布及阻尼特性，摩擦擺支座的平面布置示意圖見圖6。

圖6 摩擦擺隔震支座平面布置

5．2 摩擦擺支座設計技術參數(shù)

摩擦擺支座的主要設計參數(shù)，列于表4。依據(jù)表4中的各參數(shù)進行摩擦擺支座的技術參數(shù)設計。

表4 主要設計參數(shù)

摩擦擺支座的曲率半徑R=2．5 m，則支座的隔震周期T=，為隔震前結(jié)構(gòu)第1周期(1．57 s)的2倍。采用隔震技術后橋梁隔震周期延長，從彈性反應譜定性分析，結(jié)構(gòu)響應降低。摩擦擺支座的擺動剛度:Kfps=W/R，W為隔震支座承受的荷載，取摩擦系數(shù)μ=0．05，水平力Fy=μW。

5．3 摩擦擺支座隔震非線性時程分析結(jié)果

非線性時程反應結(jié)果列于表5，表6。

表5 順橋向時程反應(二)

表6 橫橋向時程反應(二)

6 摩擦擺支座隔震效果分析

8號制動墩順橋向、橫橋向的摩擦擺支座隔震效果列于表7，表8。隔震率=(普通支座-FPB)/普通支座3 100%。

表7 8號墩順橋向隔震效果

表8 橫橋向隔震效果

由表7可以看出，當前設計的摩擦擺支座(FPB)隔震方案能有效地減小8號制動墩的順橋向墩頂位移及墩底彎矩，擬定的墩身截面尺寸采用構(gòu)造配筋即可滿足抗彎要求，表中所列3條地震波下的順橋向隔震率雖然有一定的離散性，在82%～92%之間變化，但隔震效果顯著，發(fā)揮了較好的減震效果。

7 結(jié)語

通過對該橋設置摩擦擺支座的隔震分析研究，可以得出摩擦擺支座(FPB)隔震方案能有效地減小墩頂位移及墩底彎矩，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化帶來了較大空間，同時其自有的自恢復特性，對于地震烈度較高的城市橋梁不失為最佳選擇。

這些年來，由于地震災害的頻發(fā)，許多橋梁在地震中倒塌，對橋梁地震的研究分析一直是一個重點關注的課題，但由于人類對地震認識的局限性，所有的抗震分析和計算也是在逐步的積累，從失敗中汲取經(jīng)驗。尤其位于地震烈度高的區(qū)域，橋梁抗震計算是必不可少的。

［1］范立礎，王志強．橋梁減隔震設計［M］．北京:人民交通出版社，2001．

［2］陳永祁，楊風利，劉 林．摩擦擺隔震橋梁的設計及應用 ［J］．工業(yè)建筑，2009(S1):256-261．